6.2. Круговорот углерода

Углерод является структурной основой молекул всех органических веществ. Он составляет до 50 % зольной массы клеток.

Основным источником углерода служит углекислый газ (СО₂), который содержится в атмосфере в количестве 0,03 %. Поэтому, если бы содержание его постоянно не восполнялось, такого количества не хватило бы и на 100 лет, так как ежегодно растениями поглощаются сотни миллионов тонн СО₂

Все зеленые растения для фотосинтеза органических веществ используют СО₂ в качестве источника углеродного питания. Атмосферный углерод могут усваивать также некоторые автотрофные микроорганизмы. Животные, люди и многие микроорганизмы (гетеротрофы) усваивают углерод в виде органических соединений растительного или животного происхождения.

Атмосфера пополняется углекислым газом при вулканических извержениях, при сжигании и окислении различных веществ, а также в результате дыхания людей и животных. Однако этого количества СО₂ было бы недостаточно для развития растений и поддержания постоянной концентрации углекислого газа в атмосфере.

Поступление углекислого газа в атмосферу обеспечивается главным образом микроорганизмами, осуществляющими ферментацию (сбраживание) различных углеводов, при которой углерод органических соединений возвращается в воздух в виде углекислого газа.

Брожение - это метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления углеводов могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. При этом основным этапом биологического окисления является дегидрогенирование, при котором водород переносится не на кислород, а на промежуточные продукты расщепления субстрата, служащие акцепторами водорода. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя углекислый газ. Таким образом, брожением называют дегидрогенирование углеводов, протекающее преимущественно в анаэробных условиях.

Существует несколько видов (типов) брожения. Для молочной промышленности наибольшее значение имеют следующие виды брожения: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое, пропионовокислое и маслянокислое.

Молочнокислое брожение. В процессе молочнокислого брожения молочный сахар (лактоза) и другие сахара молочнокислыми бактериями превращаются в молочную кислоту:

_{С12Н22О11 + Н2О → 2С6Н12О6 → 4 С3Н4О3 + 4 Н2 → 4 С3Н6О3}

Лактоза

Гексозы (глюкоза+ + галактоза)

Пировиноградная кислота

Водород (принимаемый кцептором)

Молочная кислота

При этом вначале под воздействием фермента лактазы происходит гидролиз лактозы на две частицы гексоз: глюкозу и галактозу. Затем они через ряд промежуточных продуктов превращаются в пировиноградную кислоту, а потом в молочную.

Различают гомо- и гетероферментативное молочнокислое брожение. Брожение, в результате которого в качестве основного продукта брожения образуется молочная кислота (не менее 90 %), называют гомоферментативным брожением.

При гетероферментативном брожении наряду с молочной кислотой образуются уксусная кислота, этиловый спирт, углекислый газ, ацетоин, диацетил и другие ароматические вещества.

Молочнокислое брожение широко используется в пищевой промышленности при производстве кисломолочных продуктов, сыра, при квашении капусты, посоле огурцов, мочении яблок, а также при силосовании кормов. Молочную кислоту применяют в кондитерском производстве и в производстве безалкогольных напитков.

Молочнокислому брожению подвержены не только гексозы (глюкоза, галактоза), дисахариды (лактоза, сахароза, мальтоза), пентозы (арабиноза), но также многоатомные спирты, многоосновные кислоты и даже белки. Расщепление Сахаров при молочнокислом брожении происходит без участия кислорода.

Известно большое количество молочнокислых бактерий, отличающихся друг от друга как морфологически, так и по физиологическим свойствам.

Молочнокислое брожение, обусловленное молочнокислыми бактериями, называют типичным. Возбудителями нетипичного молочнокислого брожения являются Е. coli, сапрофитные кишечные палочки рода Enterobacter, другие микроорганизмы, сбраживающие лактозу и образующие наряду с молочной кислотой янтарную и уксусную, этиловый спирт, углекислый газ, водород и другие вещества.

Спиртовое брожение. Характеризуется распадом Сахаров, чаще гексоз, до этилового спирта и углекислого газа с выделением энергии.

Наряду с этиловым спиртом и СО₂ при спиртовом брожении образуются побочные продукты, такие, как уксусный альдегид, глицерин, янтарная кислота и высшие спирты (бутиловый, изобутиловый, амиловый, изоамиловый и др.), получившие название сивушных масел. Их возникновение связано с разложением аминокислот, используемых возбудителями брожения в качестве источника азота.

Спиртовое брожение известно человечеству очень давно, однако, его природа была раскрыта в 1858 г. Пастером, который доказал, что спиртовое брожение сахаристых веществ зависит от жизнедеятельности дрожжевых клеток, способных вырабатывать специальные экзоферменты. Основным и наиболее активным ферментом дрожжей является зимаза, впервые выделенная Бухнером в 1897 г.

Способностью вызывать спиртовое брожение обладают также некоторые виды мукоровых плесневых грибов и бактерий (Sarcina ventriculi).

Каждый вид дрожжей подразделяют на расы. Расой называют разновидность микроорганизмов, которые, сохраняя все основные признаки данного вида, отличаются второстепенными, но стойкими свойствами. Обычно такими свойствами являются производственные особенности расы. Так, в спиртовом производстве применяют расы дрожжей, накапливающих в среде большое количество спирта, в пивоваренном - расы дрожжей, быстро оседающих и осветляющих пиво.

В бродильном производстве различают низовые и верховые дрожжи. Верховые дрожжи используют для брожения, протекающего при температуре 18-30 °С. В этих условиях отмечаются обильные выделения углекислого газа и пенообразование. Сами дрожжи поднимаются на поверхность бродящей жидкости. Верховые дрожжи используются чаще в спиртовой промышленности и хлебопечении. При этом чаще используют расы Saccharomyces cerevisiae.

Дрожжи низового брожения применяют для брожения при пониженной температуре 4-10 °С. Низовое брожение идет вяло, и масса дрожжевых клеток остается на дне сосуда. Дрожжи низового брожения чаще всего применяют в пивоваренной промышленности. К ним относят S. ellipsoides, S. vini и некоторые расы S. cerevisiae.

Оптимальная температура брожения 30 °С, при 50 °С брожение останавливается. Процесс брожения зависит также от концентрации сахара в среде. Лучше спиртовое брожение происходит при концентрации сахара около 15 %. Концентрации менее 10% неблагоприятны для брожения, а при концентрации 30-35% сахара оно приостанавливается. Однако некоторые дрожжи могут вызывать брожение и при содержании в среде сахара до 60 %.

Нормальной для спиртового брожения является кислая среда (рН 4,0 или 4,5). В щелочной среде брожение протекает с образованием глицерина и уксусной кислоты.

Техническое применение спиртового брожения очень велико. Этот процесс лежит в основе производства спирта и глицерина, вина и пива. Его используют также в хлебопечении.

Спирт, накапливающийся в процессе брожения, оказывает губительное действие на дрожжи, поэтому брожение, как правило, прекращается при содержании в среде 12-16 % спирта. Некоторые расы дрожжей могут накапливать его в среде до 17-20 %.

В пищевой промышленности используют чистые и симбиотические культуры дрожжей, обеспечивающие получение продуктов высокого качества. Дрожжи широко распространены в природе - в почве, на поверхности растений и других предметах.

Уксуснокислое брожение. Окислительный процесс, при котором с помощью уксуснокислых бактерий спирт окисляется в уксусную кислоту, называется уксуснокислым брожением. Этот процесс протекает в две фазы:

I фаза — окисление спирта до уксусного альдегида: 2СН₃СН₂ОН + О₂ = 2СН₃СОН + 2Н₂О;

Спирт Уксусный альдегид

II фаза — окисление уксусного альдегида до уксусной кислоты: 2СН₃СОН + О₂ = 2СН₂СООН.

Уксусный альдегид Уксусная кислота

Природу уксуснокислого брожения открыл Пастер, выделивший из поверхностной пленки прокисшего вина микроорганизм, названный им Mycoderma aceti (1862).

Уксуснокислые бактерии используют для приготовления пищевого уксуса. Лучшее сырье для этого — натуральное вино и яблочный сок. Иногда уксус готовят на искусственной среде, содержащей этиловый спирт. Концентрация спирта в среде не должна превышать 10-13 %.

В молочной промышленности уксуснокислые бактерии используют в составе естественной симбиотической закваски для кефира.

Пропионовокислое брожение. Это брожение вызывается пропионовокислыми бактериями, которые сбраживают молочный сахар, лактаты и молочную кислоту, образуя пропионовую, уксусную кислоты и углекислый газ. До образования молочной кислоты пропионовокислое брожение протекает аналогично гомоферментативному молочнокислому брожению. Дальнейшее сбраживание молочной кислоты происходит с образованием пировиноградной, потом уксусной и пропионовой кислот.

Пропионовокислое брожение имеет большое значение при производстве твердых сычужных сыров с высокой температурой второго нагревания.

Возбудителем пропионовокислого брожения являются анаэробные палочки рода Propionibacterium, способные ферментировать лактаты.

Маслянокислое брожение. Это процесс расщепления углеводов, а в ряде случаев жиров и белков до масляной кислоты, СО₂, Н₂ и других продуктов:

С₆Н₁₂О₆ = С₃Н₇СООН + 2 СО₂ + 2Н₂ + энергия. Масляная кислота

Биологическую сущность маслянокислого брожения открыл Пастер в 1861 г., обнаружив первого возбудителя маслянокислого брожения.

На примере маслянокислого брожения Пастер разработал учение об анаэробном дыхании некоторых микроорганизмов.

Возбудителями маслянокислого брожения являются маслянокислые бактерии, относящиеся к роду Clostridium.

В процессе брожения помимо масляной кислоты может образоваться много побочных продуктов: уксусная, молочная, пропионовая, валериановая, капроновая, янтарная, муравьиная и другие кислоты, этиловый, амиловый, бутиловый спирты и ацетон.

Маслянокислое брожение иногда происходит в молоке, сыре и других молочных продуктах, причем эти продукты приобретают прогорклый вкус и неприятный запах. Результатом маслянокислого брожения иногда являются вспучивание сыра, бомбаж жестянобаночных консервов и другие пороки.

В то же время сама масляная кислота находит широкое техническое применение. Эфиры ее употребляются в качестве ароматизирующих веществ в ликероводочном, кондитерском и парфюмерном производствах. В кожевенном деле масляная кислота с успехом заменяет молочную для удаления из кожи извести.